复合顶板巷道顶板全锚喷及注浆技术应用研究_刘瑞生.pdf

复合顶板巷道顶板全锚喷及注浆技术应用研究刘瑞生（山西省汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿，山西柳林033300）摘要：复合顶板巷道围岩控制时常面临顶板下沉量大、离层情况明显等问题，支护难度较大，以 5302 运输巷复合顶板围岩支护为例，在对巷道围岩变形特征分析基础上，提出以锚网索喷+注浆为核心的围岩支护体系，通过提高顶板支护强度及自身承载能力，实现复合顶板下沉及离层变形控制。经现场应用后，5302 运输巷顶板变形量大、失稳等问题得以有效解决，支护后顶板、巷帮变形分别在 28 mm、36 mm 以内，可满足使用需要。关键词：巷道掘进；复合顶板；全锚支护；顶板注浆；围岩变形中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0267-030引言随着开采强度及深度增加，采掘作业受地应力、构造等因素影响更趋明显，同时围岩破碎、围岩松软等问题更为突出，支护体系中锚索、锚杆失效现象增大，增大巷道围岩控制难度1-3。受煤层赋存条件影响，部分矿井回采巷道顶板为复合顶板，复合顶板存在层间黏聚力小、裂隙发育、整体强度差等特点，巷道掘进后顶板容易出现离层破坏，影响巷道后续使用4-5。为此，众多的学者对复合顶板巷道展开研究，其中柏建彪等6针对软煤复合顶板巷道围岩变形特征，提出巷道支护方案制定应基于高刚度及高预紧力原则进行；姜耀东等7对金属网、锚杆（索）、U 型钢机喷浆等在围岩控制中耦合作用效果进行分析，并提出采用互补控制技术对复合顶板巷道进行控制；高明仕等8针对复合顶板巷道采用单一长度长锚索控制效果不佳问题，提出用长锚索、短锚索及锚杆构成的梯形支护体系控制顶板变形。上述研究成果为复合顶板巷道围岩控制提供了宝贵经验借鉴。基于在前人研究成果基础上，以某矿 5302 运输巷为例针对复合顶板巷道控制难度大问题，提出综合使用锚网索喷+注浆方式控制顶板变形，实现了顶板变形有效控制。15302 工作面概况5302 综放工作面设计回采 3 号煤，开采煤层底板埋深均值约 620 m，3 号煤厚 6.36 m，倾角 5，顶底板以泥岩、砂质泥岩等为主，具体见图 1。根据现有的地质资料显示，在 5302 综放工作面开采范围内发育有多条小断层、小褶曲等构造，在构造影响区内煤岩体裂隙发育，对巷道围岩支护带来一定制约。5302 运输巷设计沿着 3 号煤顶板掘进，净宽 5.0m、净高 3.5 m，原采用锚杆索支护方式，顶板锚杆有 6根、规格 22 mm2 400 mm，间排距为 1 m、1 m；两排锚杆间布置一排 3 根、规格 18.6 mm7 400 mm锚索。巷帮布置 4 根与顶板技术规格一致的锚杆，间排距为 1 m、1 m。巷道顶板及巷帮均用金属网护表。测试发现 5302 综放工作面垂向应力、最大主应力及最小主应力分别为 11.36 MPa、15.29 MPa 及 11.36MPa，最大主应力方向与 5302 运输巷掘进方向间夹角 65.3，夹角超过 45，不利于运输巷顶板稳定。取 5302 运输巷顶板岩样测试，发现顶板砂质泥岩强度介于 1545 MPa、细粒砂岩强度介于 3550 MPa，运输巷复合顶板强度整体较低，各层间抗压强度有明显差异，不利于巷道顶板稳定性控制。2复合顶板变形特征5302 运输巷掘进完成后，巷道复合顶板出现一定程度离层情况，现场测定发现浅部、深部离层量值可分别超过 80 mm、40 mm，同时巷道直接顶风化显现较为明显、破碎程度有所增加，局部位置顶板出现网兜情况。部分围岩变形量较大区域内锚杆、锚索支护收稿日期：2022-04-19作者简介：刘瑞生（1986），男，山西柳林人，本科，毕业于重庆大学采矿工程专业，工程师。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.109图 13 号煤层顶底板结构示意图岩性描述黑色，层理发育，质软不坚硬，岩芯完整性差灰色，含石英、长石，岩芯坚硬黑色，层理发育，质软不坚硬，岩芯完整性差黑色，似金属光泽，下部夹泥岩约 0.70 m，条带状结构黑色，层理发育，质软不坚硬，局部比较松散岩石名称砂质泥岩细粒砂岩砂质泥岩3 号煤砂质泥岩层厚/m7.980.806.226.3613.18柱状图技术应用机械管理开发第 38 卷体系存在失效风险。运输巷顶板中部出现一定程度弯曲变形，锚杆最大受力超过 150 kN，锚杆及锚索在较大的作用力下部分出现破断情况。为降低顶板变形量，虽然后续通过工字钢、单体等强化措施，但仍未有效控制顶板变形，部分补强用工字钢出现弯曲、单体出现卸压情况，具体 5302 运输巷围岩变形过程见图 2。在支护完成初期，顶板在锚杆、锚索等作用下较为稳定，未有明显离层、变形量过大问题；在支护完成1 个月时，顶板在垂向及竖向应力作用下出现少量下沉，同时由于顶板不同岩层力学性质存在明显差异，导致岩层弯曲下沉量不同进而出现离层情况，但离层量较小、顶板仍处于稳定状态；巷道掘进及支护完成3 个月后，顶板在应力作用下离层量明显增大；支护完成 6 个月后，顶板下沉量进一步增大并出现大范围的塑性破坏，支护体系部分失效，顶板出现失稳问题。3围岩支护通过上述顶板破坏过程发现，提高巷道复合顶板整体稳定性、通过提升支护体系强度方式降低顶板下沉量及应力影响可实现复合顶板变形有效控制。为此，提出采用锚网索喷方式强化支护强度并辅助使用注浆充填复合顶板裂隙并提升锚索与复合顶板间的耦合效果。3.1围岩控制策略对于复合顶板而言实现初期离层有效控制是实现顶板支护的关键，为此综合使用锚网索喷+注浆方式支护顶板，具体围岩控制策略为：1）大幅提升施加到锚杆以及锚索上的预紧力，通过高预紧力增强复合顶板具备的抗剪能力，降低复合顶板各岩层间滑动、错动量，抑制围岩裂隙向深度扩展。采用短锚索代替原支护用锚杆，使得预紧力可增加 4 倍以上。2）采用短锚索、长锚索相结合控制复合顶板变形。短锚索可将巷道表层浅部岩体形成强度相对较高的预应力梁，同时充分发挥短锚索刚度大优点，提升岩体抗剪能力；长锚索发挥悬吊作用，避免浅部破碎岩体出现冒落问题。3）采用高刚度配件及表层喷浆。采用钢筋网、W钢带支护围岩，支护使用的钢筋网刚度较大，可明显增强复合顶板完整性；W 钢带提升表面护表面积，对破碎顶板变形有显著的抑制作用。4）通过复合顶板注浆提高顶板整体性以及强度，同时浆液扩展可提升支护体系与复合顶板间耦合效果，与原有支护体系共同作用减少顶板离层量以及变形量。3.2支护工艺在 5302 运输巷顶板用塑料网及钢筋网双层支护，网片宽度均为 1.2 m、长度均为 5.5 m；支护采用的长锚索、短锚索规格分别为 22 mm7 300 mm、22mm4 300 mm，施加的预紧力均为 250 kN，短锚索间排距 1 050 mm、1 000 mm，长锚索间排距为 2 100mm、1 000 mm；5 根短锚索用 W 钢带连接，长锚索在2 排短锚索间。巷帮用 22 mm2 400 mm 锚杆，施加400 N m 扭矩，间排距为 900 mm、1 000 mm，配合 W钢带及高强托盘护表。在顶板及巷帮喷射厚 100 mm、强度 C20 混凝土，实现巷道表面裂隙封堵并与护表结构一起提高护表强度。在沿着巷道中部施工注浆钻孔，通过注浆提高复合顶板完整性并充填顶板裂隙。浆液为水泥浆（水灰质量比 12），孔深 5 000 mm，间距 3 000 mm，注浆压力控制在 35 MPa。3.3围岩控制效果支护完成后在巷道布置测点对围岩变形进行监测，支护 20 d 后顶板及巷帮变形趋于稳定，顶板下沉28 mm、巷帮收敛 36 mm，采用的支护方案可满足巷道后续使用需要。4结语复合顶板巷道围岩变形中顶板下沉量较大、离层情况明显，给巷道使用带来较大制约。以 5302 运输巷为例，对巷道顶板变形情况进行分析，并结合顶板离层及弯曲下沉特点，提出以强化顶板支护强度以及提升复合顶板稳定性及整体承载能力为核心的复合顶板巷道围岩变形控制技术。具体支护措施为：采用短锚索代替锚杆提高复合顶板支护效果并充分发挥短锚索预紧力强特点降低浅部岩层离层量；将长锚索锚固端固定到稳定岩层中，充分发挥锚索悬吊作用降低顶板变形；通过 W 钢带、金属网以及喷浆等提高护表强度，降低顶板下沉量；采用注浆方式实现原生类型2-1掘进支护初期2-2掘进支护 1 个月2-3掘进支护 3 个月2-4掘进支护 6 个月图 2复合顶板巷道顶板变形过程示意图垂直应力离层离层硬岩层水平应力水平应力复合岩层离层离层水平应力水平应力复合岩层离层离层塑性破坏区2682023 年第 6 期充填及封堵，提高复合顶板顶板整体稳定性并与锚网索喷支护体系共同作用实现复合顶板控制。现场应用表明，5302 运输巷顶板及巷帮变形量分别为 28 mm、36 mm，有效控制复合顶板巷道围岩变形。参考文献1周凯.软弱复合顶板巷道锚网支护技术研究及应用J.山西能源学院学报，2022，35（1）：4-6.2秦志宏，程详，孟祥瑞，等.厚顶煤夹矸顶板下巷道复合支护技术研究J.煤炭工程，2022，54（2）：49-54.3王新国.榆家梁煤矿软弱复合顶板巷道支护技术研究与应用J.同煤科技，2021（6）：29-31.4杨超.复合顶板松软煤层巷道破坏机理及高预应力支护技术研究J.当代化工研究，2021（20）：41-42.5任硕，周逸群，王鹏飞.软弱夹层复合顶板动压巷道支护技术研究J.煤炭技术，2021，40（8）：32-36.6柏建彪，侯朝炯，杜木民，等.复合顶板极软煤层巷道锚杆支护技术研究J.岩石力学与工程学报，2001（1）：53-56.7姜耀东，王宏伟，赵毅鑫，等.极软岩回采巷道互补控制支护技术研究J.岩石力学与工程学报，2009，28（12）：2 383-2 390.8高明仕，郭春生，李江锋，等.厚层松软复合顶板煤巷梯次支护力学原理及应用J.中国矿业大学学报，2011，40（3）：333-338.（编辑：王慧芳）Application of Full Anchor Spray and Grouting Technology in the Roof of Composite RoofTunnelLiu Ruisheng（Shanxi Fenxi Mining(Group)Co.,Ltd.Shuangliu Coal Mine,Liulin Shanxi 033300）Abstract:The control of surrounding rock in composite roof tunnels often faces problems such as large roof subsidence and obviousseparation of layers,making support difficult.Taking 5302 transportation roadway composite roof surrounding rock support as an example,based on the analysis of the deformation characteristics of the roadway surrounding rock,a surrounding rock support system with anchormesh,cable spraying,and grouting as the core is proposed.By improving the strength of the roof support and its own bearing capacity,thecomposite roof settlement and separation deformation control are achieved.After on-site application,the